Bevezetés
Az égetett vörös agyag egy különleges lelet, amely az ősi emberek tűzzel kapcsolatos tevékenységeinek eredményeként jött létre, és széles körben megtalálható lakóhelyeken, fazekas kemencékben, áldozati gödrökben és más, a neolitikumtól a történelmi korszakokig terjedő időszakokból származó maradványokban. Közvetlen fizikai bizonyítékként szolgál az ősi emberek tűzhasználati technológiájának, építészeti technikáinak és megélhetési stratégiáinak tanulmányozásához [1]. Az égetett vörös agyag egyik legfontosabb fizikai-kémiai mutatójaként az eredeti égetési hőmérséklet nemcsak az ősi emberek tűzkezelési képességeit és az égetési technológia fejlettségét tükrözi, hanem fontos alapot nyújt a társadalmi termelékenység és az erőforrás-felhasználási minták következtetéséhez is [2].
Az égetési hőmérséklet meghatározása
A dilatometria (DIL) használatának egyszerűsége, a minták minimális károsodása, a mérés nagyfokú pontossága és a jó ismételhetőségének köszönhetően fokozatosan az egyik legszélesebb körben alkalmazott technikává vált a régészeti eredetű, égetett vörös agyag égetési hőmérsékletének meghatározásában. Az égetett vörös agyag az ősi égetés során dehidratáción, dehidroxilezésen, fázisátalakuláson és kezdeti szinterezésen ment keresztül, így stabil mikroszerkezetet alkotott. Ezért az újraégetés során, amikor a hőmérséklet az eredeti égetési hőmérséklet alatt van, a minta csak reverzibilis rácsos hőtágulást mutat; amint a hőmérséklet meghaladja az eredeti égetési hőmérsékletet, a minta belsejében található maradék amorf fázisok és nem szinterezett mikrorégiók további sűrűsödésen mennek keresztül, ami zsugorodási hatást eredményez, amely gátolja a hőtágulást[3]. Ezt a módszert széles körben alkalmazzák a régészeti leletek hőmérséklet-meghatározására irányuló kutatásokban.
A jelen tanulmányban használt minta egy bizonyos régészeti lelőhelyről származó, friss, időjárás hatásának nem kitett, égetett vörös agyag, amelyet szabályos keresztmetszetű, körülbelül 25 mm hosszú téglatest formájúra alakítottak ki (1. ábra). A vizsgálatokat egy NETZSCH DIL 402 Expedis®Classic dilatométer segítségével végeztük.
A vizsgálati paramétereket az 1. táblázat tartalmazza. Öt fűtési ciklust hajtottak végre, ebből kettő 400 °C-os véghőmérséklettel, három pedig 500 °C-os véghőmérséklettel. Minden egyes vizsgálat után a mintát a kemencében szobahőmérsékletre hűtötték, hogy minden fűtési ciklusnál egységes kiindulási állapotot biztosítsanak, és kizárják a különböző kiindulási állapotokból eredő, a vizsgálati eredményeket befolyásoló zavaró tényezőket.
1. táblázat: Mérési feltételek
| Mérőműszer | DIL 402 Expedis®Classic |
|---|---|
| A minta méretei | Téglatest, kb. 10 x 10 x 25 mm |
| Fűtési sebesség | 5 K/min |
| Statikus erő | 100 mN |
| Mintatartó | Olvasztott szilícium-dioxid tartó |
| Hőmérséklet-tartomány | szobahőmérséklet – 400 °C, szobahőmérséklet – 500 °C |
| Környezet | Nitrogén (inert légkör) |
Eredmények és megbeszélés
Amint azt a szakirodalomban [3] is említik, az eredeti égetési folyamat során az égetett vörös agyagban található agyagásványok (pl. illit, montmorillonit) meghatározott hőmérsékleteken dehidratáción, dehidroxiláción és szerkezeti átalakuláson mennek keresztül, és így egy metastabil mikroszerkezetet képeznek. Ha az újraégetési hőmérséklet az eredeti égetési küszöbérték alatt marad, a mintában nem következik be új fázisátalakulás, csupán fizikai hő tágulás történik, így a két hőmérsékleti görbe egymást átfedi. Ha az újraégetési hőmérséklet meghaladja az eredeti égetési hőmérsékletet, az első felmelegedés során további visszafordíthatatlan reakciók játszódnak le (pl. a maradék szerkezeti víz eltávolítása, a rácsdefektusok helyreállítása), ami a sűrűsödés fokának növekedését eredményezi. Ennek következtében a második fűtés során a minta hőtágulási képessége csökken, ami makroszkopikusan a dL/L₀ görbe meredekségének csökkenésében és általános lefelé irányuló eltolódásában tükröződik. Ennek alapján meghatározható az eredeti égetési hőmérséklet tartománya.
A 2. ábrán látható, hogy:
- A szobahőmérséklettől (RT) 400 °C-ig terjedő tartományban: az első újraégetési görbe (1. görbe) és a második újraégetési görbe (2. görbe) szinte teljesen átfedik egymást a teljes hevítési folyamat során, a lineáris tartományban szinte azonos meredekséggel (hőtágulási együtthatókkal), és nincs nyilvánvaló eltérés vagy lefelé irányuló eltolódás.
- A szobahőmérséklettől 500 °C-ig terjedő tartományban: a harmadik újraégetési görbe (3. görbe) alakulása 400 °C alatt összhangban van az [1] és [2] görbékkel. A negyedik újraégetési görbe (4. görbe) azonban jelentős változást mutat a hevítés során: általános lefelé irányuló eltolódást és a korábbi három görbéhez képest szembetűnően kisebb meredekséget. Az eredmény ellenőrzése érdekében egy ötödik újraégetési kísérletet (5. görbe) hajtottak végre 500 °C-ig. Látható, hogy az [5] görbe szinte teljesen átfedi az [4] görbét, ami megerősíti, hogy a minta 500 °C-ra történő hevítés után stabilizálódik.
Az egyes újraégetési görbék átlagos hőtágulási együtthatóját (m.Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE) a 2. táblázat tartalmazza. A vizsgálati eredmények alapján arra lehet következtetni, hogy a minta eredeti égetési hőmérsékleti tartománya > 400 °C és ≤ 500 °C.
2. táblázat: Az egyes újragyújtási görbék mCTE-értéke
| Hőmérsékleti tartomány | Görbe [1] | Görbe [2] | Görbe [3] | Görbe [4] | Görbe [5] |
| RT – 400 °C | 9,71×10⁻⁶ K⁻¹ | 9,73×10⁻⁶K⁻¹ | 9,60×10⁻⁶K⁻¹ | 9,33×10⁻⁶K⁻¹ | 9,29×10⁻⁶K⁻¹ |
| RT – 500 °C | - | - | 11,40×10⁻⁶ K⁻¹ | 10,76×10⁻⁶ K⁻¹ | 10,69×10⁻⁶K⁻¹ |
Összefoglalás
A dilatometria (DIL) alkalmazása az égetett agyagok égetési hőmérsékletének elemzésére az agyagásványok hőviselkedésének visszafordíthatatlanságán alapul. Az újraégetés során a tágulási görbe meredekségének változásának azonosításával pontosan meghatározható a régészeti eredetű, égetett vörös agyag eredeti égetési hőmérsékleti tartománya. Ez a módszer felhasználóbarát vizsgálattal, egyértelmű kritériumokkal, nagy pontossággal és minimális mintakárosodással jellemezhető, így alkalmas értékes régészeti leletek vizsgálatára. Megbízható technika az agyagalapú égetett leletek maximális hevítési hőmérsékletének meghatározására.